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Rapid Prototyping Was ist Rapid Prototyping?

| Autor / Redakteur: Joscha Riemann / Anna-Lena Dosch

Rapid Prototyping bezieht sich auf eine Reihe von unabhängigen Strategien, die die Herstellungszeit für die Erstellung maßstäblicher, dreidimensionaler Formen drastisch reduzieren. Dieser Artikel zeigt wie schnell additive Techniken die Einführung von Innovationen antreiben.

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Rapid Prototyping bietet Unternehmen viele Vorteile, die es für einige Branchen heute unverzichtbar machen.
Rapid Prototyping bietet Unternehmen viele Vorteile, die es für einige Branchen heute unverzichtbar machen.
(Bild: gemeinfrei / Unsplash)

Optimierung des Übergangs vom Konzept zum Modell in Originalmaßstab und darüber hinaus. Wie testen moderne Unternehmen ihre Ideen effektiv? Dieser Artikel zeigt wie schnell additive Techniken die Einführung von Neuerungen antreiben. Obwohl die Herstellungstechniken, die Innovatoren/Erfinder von Punkt A nach Punkt B bringen, sehr unterschiedlich sind, gibt es einige konsistente Trends. Für große Unternehmen, Erfinder und Unternehmer gleichermaßen, heißt die Devise, die Vorlaufzeit für die Herstellung von umsetzbaren Prototypen zu minimieren.

Rapid Prototyping spielt eine wesentliche Rolle, um solche Ziele realisierbar zu machen. Sie umfasst eine Reihe von verschiedenen Techniken und ermöglicht es den Herstellern, eine Vielzahl von Produktions- und Testmethoden zu nutzen, um ihre Ideen zu verfeinern.

Definition Rapid Prototyping

Rapid Prototyping bezieht sich auf eine Reihe von unabhängigen Strategien, die die Herstellungszeit für die Erstellung maßstäblicher, dreidimensionaler Formen drastisch reduzieren. Ausgehend von CAD-Dateien oder computergestützten Designs automatisiert die Rapid-Prototyping-Hardware die Herstellung, um die traditionelle manuelle Arbeit zu umgehen, die mit dem Bau von Mock-ups und Figuren verbunden ist. Dies kann verschiedene Techniken wie 3D-Drucken und Schnitzen mit Hilfe von CNC-Maschinen umfassen.

Was macht Rapid Prototyping notwendig?

Die schnellere Erstellung von Prototypen kam erst in den 1980er Jahren mit der Entwicklung von Technologien in den Vordergrund, die digitale Designs schnell in reale Objekte umsetzen konnten. Bis dahin wurden Dinge wie Fahrzeugmodelle in der Regel von Künstlern wie beispielsweise Bildhauern erstellt, die aus Ton teilweise maßstabgetreue Nachbildungen anfertigen. Mit der Entwicklung des ersten 3D-Druck-Verfahrens begann ein neues Zeitalter des Prototypenbaus. 1984 meldete der Amerikaner Chuck Hull ein Verfahren zum Patent an, mit dem es möglich ist Photopolymere mittels UV-Licht zu verschmelzen – die Stereolithographie (SLA). Das neue Verfahren wurden von Ingenieuren und Konstrukteuren weltweit begeistern aufgenommen und vor allem zum Bau von Prototypen eingesetzt. Mit Hulls SLA-Verfahren war es plötzlich möglich, detailgetreue Modelle schnell und einfach zu iterieren. Die Zunahme von Methoden zur schnellen Erstellung von Prototypen spiegelt eine Reihe von relevanten Faktoren wieder. Zum einen gewann der Einsatz von Computern als industrielle Werkzeuge an Bedeutung, da diese Systeme immer leichter zugänglich und verständlicher wurden. Da die Unternehmen nicht mehr für Time-Share-Server zahlen oder Software-Ingenieure und Informatiker für einfache Aufgaben einstellen mussten, konnten sie in allen Phasen des Produktlebenszyklus mit noch nie dagewesenen neuen Fertigungsmethoden experimentieren. Die Prototyping-Phase mit ihrem minimalen Risiko bot einen naheliegenden Ansatz, um mit der Anwendung dieser Technologie zu beginnen.

Ein weiteres wichtiges Anliegen war die Tatsache, dass die Welt der verarbeitenden Industrie viel wettbewerbsfähiger wurde. Während Nationen wie die Vereinigten Statten ehemals im Bereich des Werkzeugmaschinenbaus die Oberhand hatten, kam es in den 1970er Jahren zum Aufstieg von Unternehmen mit zunehmend internationalem Hintergrund. Kurz gesagt, es stiegen immer mehr Akteure ein, und diejenigen, die sich die neuen Technologien zunutze machten, erwiesen sich letztlich als die besten Gewinner.

Was sind die Vorteile von Rapid Prototyping?

Rapid Prototyping verschaffte den Anwendern einige Vorteile, die es für viele Branchen unverzichtbar machen.

Verstärkte Geschwindigkeit und erhöhte Genauigkeit

Je nach der Komplexität des Themas kann ein manuelles Mock-up relativ schnell erstellt werden. Das Problem ist, dass bei herkömmlichen Verfahren, wie z.B. dem Modellieren mit Ton und dem Bau von Schaumstoffplatten, oft an Haltbarkeit und Festigkeit mangelt. Diese Schwächen schränken ihre Wirksamkeit bei der Herstellung von Gegenständen ein, die zusammen mit anderen Komponenten, wie z.B. Beschlägen, Gehäusen und Getrieben, getestet werden müssen.

Traditionelle Methoden sind auch nicht immer reproduzierbar. So kann ein Ingenieur mit Schnitzerei-Fähigkeiten zwar schnell eine grundlegende Darstellung eines relativ komplexen Objekts herausschlagen, aber beim zweiten oder dritten Mal sind sie vielleicht nicht ganz so präzise. Diese Tendenz macht es schwieriger, Prototypen effektiv zu verwenden und gemeinsam zu nutzen.

Rapid Prototyping löst diese Probleme auf einfache Weise. Da mit diesen Methoden Prototypen in allen möglichen Materialien hergestellt werden können, von holzgetränktem PLA oder Polymilchsäure bis hin zu UV-gehärteten Harzen und Metallen, ist es viel einfacher, einen Prototyp zu bauen, der mehr Ähnlichkeit mit dem geplanten Endprodukt aufweist. Wenn diese Maschinen richtig kalibriert sind, sind sie auch ausgesprochen beständig.

Erhebliche Kostensenkung

Geräte wie High-End-3D-Drucker sind mit einem hohen Anschaffungspreis verbunden. Erfreulicherweise führte die Verbreitung des Rapid Prototyping auch zu neuen Prototyping-Dienstleistungen.

DrittenDienstleister für Rapid Prototyping haben die Eintrittsbarriere gesenkt, indem sie das Auslagern des Prototyping-Prozesses erleichtert haben. Da diese Unternehmen auf die Erstellung von Prototypen spezialisiert waren, konnten sie in nur kurzer Zeit qualitativ hochwertige Produkte erstellen und ihre Arbeit innerhalb von Tagen an das einkaufende Unternehmen zurückschicken.

Diese Verlagerung trug zur Ausbreitung einer neuen Vielfalt von Technologie-Start-ups bei: diese Unternehmen mussten nicht unbedingt ihre eigenen Fertigungsabteilungen aufrechterhalten, um neue Produkte herzustellen und zu testen. Da sich Orte wie Shenzen, China, zu riesigen Zentren für ausgelagerte Komponenten wie Elektronik entwickelten, konnten diese Firmen die gleiche Logik auf andere Aspekte ihrer Lieferkette übertragen.

Neue technische Möglichkeiten

Ein weiterer großer Vorteil von Rapid Prototyping war, dass sie mehr experimentelle Arten der Herstellung ermöglichte. Mit Bioprinting-3D-Druckern kann unter anderen echtes menschliches Gewebe imitiert werden. Weltweite arbeiten schon mehrere Forschungsobjekte daran, ganze Organe zu drucken.

Beispielsweise können mit 3D-Druckern, die biologische Substanzen drucken, jetzt alles hergestellt werden; von medizinischen Geräten, die echtes Gewebe imitieren, bis hin zu künstlichen Organen, die sich für neue lebensrettende Technologien und Arzneimitteltests als unerlässlich erweisen. Andere Techniken, wie das Elektronenstrahlschmelzen (EBM) und das selektive Lasersintern (SLS), ermöglichen es, die physikalischen Eigenschaften von Materialien mit enormer Präzision zu verändern. Von der Änderung der Dichte eines Objekts bis hin zur Änderung seiner Kristallstruktur revolutionieren diese Methoden nicht nur die Art und Weise, wie Unternehmen Prototypen bauen, sondern auch die Art und Weise, wie sie über die Technik denken.

Welches ist das beste Rapid Prototyping Verfahren?

Es gibt keinen universellen Favoriten, wenn es um die Wahl einer beschleunigten Prototyping-Methode geht. Stattdessen haben verschiedene Techniken deutliche Vorteile, die es entscheidend machen, die Auswahl individuell von Fall zu Fall zu treffen. Wenngleich es nicht möglich ist, alle Optionen in einem kurzen Artikel zu behandeln, ist die Untersuchung der beiden Hauptklassen, der additiven und der subtraktiven Herstellung, eine gute Möglichkeit, sich zu orientieren.

Additive Fertigungstechniken

Additive Fertigung ist der allgemeine Begriff für Techniken bei denen ein Gegenstand durch den Aufbau einzelner Schichten erstellt wird, die im Laufe der Fertigung miteinander verbunden werden. Es gibt eine Reihe von verschiedenen Möglichkeiten der additiven Fertigung zur Herstellung von Prototypen:

Fused-Depostition-Modellierung oder FDM ist das, was bei den meisten 3D-Druckern für den Polymerdruck stattfindet. Diese Maschinen extrudieren (spritzen) oder pressen dünne Kunststoffpartikel bei ausreichend hohen Temperaturen aus, um das Material teilweise zu verflüssigen. Wenn der Kunststoff auf einer speziell angefertigten Grundplatte abkühlt, verfestigt er sich. Durch das Ausdrücken der nachfolgenden Pressungen, so dass sie mit den vorhergehenden Partikeln und Schichten in Kontakt kommen, ist es möglich, ein einheitliches Stück zu fertigen. Ähnliche Techniken ermöglichen die Herstellung von Prototypen, bei denen von Glas und Keramik bis hin zu essbaren Materialien und lebenden Zellen alles verwendet werden kann.

Bei der Stereolithographie, auch SLA genannt, werden flüssige Polymere verwendet. Diese chemischen Mischungen werden sorgfältig nach ihrer Fähigkeit ausgewählt, zu photopolymerisieren oder chemische Bindungen herzustellen, wenn sie bestimmten Wellenlängen des Lichts ausgesetzt werden. Maschinen, die mit einem Behälter mit der Flüssigkeit verbunden sind, heben in kleinen Schritten eine Bauplattform aus dem Flüssigkeitsspeicher heraus. Gleichzeitig beleuchtet eine lichtemittierende Vorrichtung das Harz punktuell an bestimmten Stellen, um die gehärteten Schichten von und unten zu bilden. SLA-Lichtemitter können die Form von Lasern haben, die einen einzelnen Punkt auf einmal aushärten, aber digitale Lichtverarbeitungs- oder DLP-Systeme verwenden Projektoren, um eine ganze Schicht auf einmal fertigzustellen.

Pulverbettmethoden beginnen, wie der Name schon sagt, mit einer Schale oder einem Bett aus feinkörnigem Ausgangsmaterial. Bei Substanzen wie Gipsputz oder Stärke kann mit einem Tintenstrahlkopf ein Bindemittel aufgebracht werden, das die kleinen Partikel zu einem Feststoff verbindet. Bei pulverförmigen Metalllegierungen und Thermoplasten, EMB, LSL und andere Verfahren verwenden Laser, um die Partikel durch Anwendung intensiver Hitze ganz oder teilweise zu verschmelzen.

Subtraktive Fertigungstechniken

Bei der subtraktiven Fertigung wird ein fertiges Objekt durch die Entfernung unerwünschter Teile aus einem einheitlichen Materialblock erzeugt. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, dies zu erreichen:

CNC-Maschinen sind für die subtraktive Herstellung von Prototypen unerlässlich. Von Computern gesteuerte Geräte können bestimmte Abschnitte aus Metall, Holz, Kunststoff und anderen harten Materialien präzise herausschneiden.

Beim Fräsen wird ein feststehendes Werkstück verwendet. Der Fräser, eine Vorrichtung mit einem schnellen, rotierenden Kopf, wird bei Bedarf eingesetzt, um Abschnitte zu entfernen. Zusätzlich zu Fräsen, die sich entlang zweier Achsen bewegen, enthalten einige Fertigungsvorrichtungen Roboterarme, die zusätzlich Bewegungsspielräume bieten. Ähnliche Methoden umfassen das Schneiden von Teilen aus Holz, Verbund- und Metallplatten mit Hilfe von unter Druck stehenden Wasserstrahlen und beweglichen Lasern.

Vergleich der Optionen für Rapid Prototyping

Unterschiedliche Techniken zur schnellen Erstellung von Prototypen haben verschiedene Vorteile. Bei der Verwendung von Kunststoff ist beispielsweise FDM in der Regel schneller und billiger als SLA: Diese Drucker sind technisch weniger komplex und neigen dazu, weniger Material zu verschwenden. SLA ist jedoch wesentlich präziser, da die Mindestauflösung durch die Größe eines optischen Projektionspunktes und nicht durch den Durchmesser einer physikalischen Extrusionsdüse bestimmt wird. Das Fehlen eines beweglichen Druckkopfes bei SLA bedeutet auch, dass es weniger unerwünschte Kräfte gibt, die Spannungen, Ausrichtungsfehler oder andere Unregelmäßigkeiten verursachen könnten.

Beim Drehen und Fräsen entstehen bei jeder Technik unterschiedliche Formen, da sie die Werkstücke unterschiedlichen halten. Drehbänke sind normalerweise besser geeignet, um Formen mit strahlenförmiger Symmetrie zu erzeugen, während Fräser unregelmäßige Firmen recht gut handhaben. In vielen Fällen werden die Techniken kombiniert oder in Verbindung mit Bohren und Stanzen eingesetzt.

Ist die additive Fertigung oder subtraktive Fertigung für die Herstellung von Prototypen am besten geeignet? Eine solche Debatte dürfte in nächster Zeit kaum zu brauchbaren Ergebnissen führen. Jede Option hat ihre Vor- und Nachteile. So sind zum Beispiel einige Objekte, wie geschlossene Formen mit Innenvolumen, mit der subtraktiven Fertigung nicht herstellbar. Die additive Fertigung hingegen führt zu Teilen mit inhärenten strukturellen Schwächen, bei denen sich Schichten und Extrusionen verbinden.

Wenn man sich überlegt, was für ein bestimmtes Projekt am besten funktioniert, ist es am sinnvollsten, über die physischen Gegebenheiten des Objekts und den Verwendungszweck des Prototyps nachzudenken. Ein Zahnrad oder eine andere Komponente des Antriebsstrangs, die Versuche in einem größeren mechanischen System überstehen muss, könnte sich als zweckmäßiger erweisen, wenn sie aus einem massiven Stück mittels reduktiver Techniken hergestellt wird. Dünnwandige Gehäuse und andere geometrische einfache Formen lassen sich möglicherweise leichter mit Wasserstrahlschneiden herstellen, müssen aber später gebogen und geschweißt werden.

Außerdem bleibt zu bedenken, dass viele Arten des schnellen Prototyping raue Objekte erzeugen. Obwohl es möglich ist, eine glattere Oberfläche zu erzielen, indem man die 3D-Druckeinstellungen ändern oder die Schnittführung einer CAD-Datei feiner einstellen, erfordern einige Techniken erhebliche Nachbearbeitung. Beispielsweise müssen Objekte, die Überhänge aufweisen oder Bereiche, die in den leeren Raum hineinragen, normalerweise mit abnehmbaren Trägerstrukturen gedruckt und anschließend gereinigt werden.

Verbindung von Zeichnungen: Rapid Tooling, Fertigung und Prototyping

Industrielle Prozesse erfordern oft maßgeschneiderte Werkzeuge, die in großem Maßstab hergestellt werden müssen. Während das beschleunigte Prototyping die Erstellung von Testversionen solcher Hardware erleichtert, sind die Ergebnisse nicht immer stark oder haltbar genug, um als Vorrichtungen, Fräswerkzeug, Matrizen, Schweißvorrichtungen oder andere Produktionshilfen zu dienen.

Agile Prototyping-Dienstleistungen helfen dabei, die Lücke zwischen dem industriellen Designprozess und dem Gießen, Formen und anderen Methoden zur Herstellung langlebiger Teile zu schließen. Eine häufige Anwendung des SLA-Drucks ist beispielsweise die Herstellung hochwertiger Formen, die dann die Massenproduktion von Werkzeugen mit fdeinen Details erleichtern können. Die Verwendung von Rapid Prototyping zur Erstellung eines solchen Modells ist relativ einfach, da moderne CAD-Softwares, Dinge wie Subtraktion einer Form von einer anderen, die Aufteilung von Formen in gegliederte oder mehrteilige Formen und das Hinzufügen von Kanälen in den Spritzguss ermöglichen.

Das Rapid Prototyping beschleunigt nicht nur Forschung und Entwicklung, sondern rationalisiert auch die nachfolgenden Produktionsschritte. Durch die Möglichkeit für Ingenieure und andere Personen, die Dynamik ihrer Ideen außerhalb des digitalen Raumes zu erforschen, können Vordenker schnell Änderungen an etablierte Fertigungssystemen vornehmen und ihre Arbeitsweise aufpolieren.

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